HIỆU QUẢ KINH TẾ

ĐẢM BẢO AN TOÀN

TÍNH NỔI

CHỐNG CHÌM

TÍNH ỔN ĐỊNH

ĐIỀU KHIỂN

LẮC TÀU

TỐC ĐỘ

Thiết kế

Đóng tàu

Sử dụng tàu

HÌNH DÁNG

BỐ TRÍ

KẾT CẤU

Công trình kỹ thuật phức tạp, nổi và chạy trên mặt nước

1.1.ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ HÌNH DẠNG VÀ KẾT CẤU

1.1.1.Đặc điểm hình dạng

- Hình dạng quyết định đến tính năng

- Dạng thân trụ rỗng phần giữa, thuôn về hai đầu.

1.1.2.Đặc điểm kết cấu

Daïng voû moûng goàm hai phần :

- Phần tôn bao bên ngoài

- Phần gia cường bên trong

1.2.CAÙC HEÄ THOÁNG TREÂN TAØ U

- Heä thoáng thieát bò naêng löôïng : maùy chính + heä truï c + thieát bò ñaåy taøu

- Heä thoáng laùi : maùy laù i + truï c la ùi + baùnh laùi

- Caùc heä thoáng phuïc vuï : cöùu sinh, cöùu hoaû, veä sinh, daèn taøu v..v…

- Heä thoáng thoâng tin lieân laïc

1.1.BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH LÝ THUYẾT TÀU

1.1.1.Khái niệm

� Đặc điểm hình học, chủ yếu là đặc điểm hình dạng của phần dưới nước và kích thước hình học ảnh hưởng lớn đến tính năng tàu, do đó trước tiên cần ra đặt vấn đề mô tả hình dạng bề mặt vỏ tàu.

� Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong không gian phức tạp nên thường tìm cách rời rạc hóa bề mặt vỏ và mô tả lại gần đúng dưới dạng công thức toán hoặc là tập hợp tọa độ các điểm của đường cong.

� Bản vẽ đường hình là bản vẽ biểu diễn hình dáng hình học bên ngoài của bề mặt vỏ tàu

� Do hình dáng phần vỏ tàu dưới nước có ảnh hưởng lớn đến tính năng hàng hải của tàu nên bản vẽ đường hình chính là công cụ mô tả, thông tin và tính toán các tính năng hàng hải của tàu.

� Tương tự như biểu diễn vật thể hình học bằng phương pháp chiếu, hình dáng bề mặt vỏ tàu cũng được mô tả trên bản vẽ bằng cách chiếu thẳng góc lên các mặt phẳng chiếu cơ bản.

� Tuy nhiên, cách làm phổ biến nhất là chiếu bề mặt vỏ tàu lên các mặt phẳng vuông góc nhau và mô tả dưới dạng các đường cong trên bản vẽ 2D, gọi là bản vẽ đường hình lý thuyết tàu.

1.1.2.Các mặt phẳng chiếu cơ bản

- Mặt cắt dọc giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng đặt tại vị trí đường tâm dọc giữa tàu, chia tàu thành hai phần đối xứng là mạn phải và mạn trái.

- Mặt cắt ngang giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng, vuông góc với mặt phẳng dọc giữa tàu, đi qua điểm giữa chiều dài thiết kế, chia tàu thành phần mũi và đuôi

- Mặt phẳng mặt đường nước : mặt phẳng nằm ngang nằm trùng mặt đường nước thiết kế, chia tàu thành hai phần là phần nổi và phần chìm

Mặt cắt dọc giữa tàu

Mặt cắt ngang giữa tàu

Mặt phẳng MĐN

Hình 1 : Các mặt phẳng chiếu cơ bản

1.1.3.Các hệ thống hình chiếu

Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong phức tạp nên để mô tả hết hình dáng vỏ tàu phải dùng hệ thống các mặt cắt phụ song song các mặt phẳng chiếu cơ bản, tạo thành ba hệ thống hình chiếu trên bản vẽ đường hình tàu.

1.Hệ thống mặt cắt dọc

� Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt cắt dọc giữa tàu, chủ yếu để mô tả độ cong dọc bề mặt vỏ tàu, hình dáng mũi, đuôi v..v…

Hình 1.1 : Các hệ thống hình chiếu cơ bản

� Số lượng các mặt cắt dọc nằm trong khoảng từ 2 - 6, phụ thuộc chủ yếu vào chiều rộng tàu và thường được ký hiệu là CD0, CDI, CDII …, tính từ mặt cắt dọc giữa tàu ra hai bên mạn tàu.

CD0

CD I

CDII

2.Hệ thống mặt cắt ngang giữa tàu

� Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song với mặt cắt ngang giữa tàu, chủ yếu để mô tả hình dáng các sườn ngang, độ cong ngang boong v..v…

� Các mặt cắt ngang (còn gọi là sườn ngang) thường được bố trí cách đều với số lượng 11 hoặc 21, phụ thuộc chủ yếu chiều dài tàu và được đánh số theo thứ tự là 0, 1, 2 …, tính từ mũi đến đuôi.

� Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt cắt ngang, bên trái bố trí các mặt cắt ngang mũi và bên phải bố trí các mặt cắt ngang đuôi.

� Do vỏ tàu tại mút mũi và đuôi thay đổi nhiều nên để biểu diễn chính xác sườn khu vực này dùng thêm các mặt cắt giữa các mặt cắt chính và ký hiệu thêm 1/2, ví dụ 1 1/2 (đuôi) hoặc 91/2, 101/2 (mũi).

Hình 1.2 : Các hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình

556

100

CD0

CD I

CDII

3.Hệ thống mặt đường nước

� Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt phẳng mặt đường nước, chủ yếu dùng để mô tả hình dáng bề mặt vỏ tàu theo chiều cao.

Hình 1.2 : Các hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình

� Các mặt đường nước thường cũng hay được bố trí cách đều nhau với số lượng khoảng từ 4 -10, phụ thuộc chủ yếu chiều cao tàu và được ký hiệu là ĐN0, ĐN1, ĐN2 …, tính từ dưới đáy lên

� Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt đường nước

CD0

CD I

CDII

556

100

ĐN4ĐN1

Theo nguyên tắc chiếu, mỗi điểm trên bề mặt vỏ tàu sẽ được thể hiện trên cả ba hình chiếu nên giữa ba hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình lý thuyết tàu phải phải tương ứng phù hợp lẫn nhau. Các hình chiếu chỉ thể hiện hình dáng thật của tàu trên các mặt phẳng chiếu song song với chính nó, còn trên hai hình chiếu còn lại sẽ chuyển thành các đường thẳng, tạo thành lưới chữ nhật của bản vẽ

Hình 1.3 : Sự phù hợp của bản vẽ đường hình

CD0CD ICDII

5

6

100

ĐN4

ĐN1

0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ĐN0

ĐN2

ĐN4

ĐN0

ĐN2

ĐN4

0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CD0CDICDII

CD0

CDI

CDII

CA NO Â D U L ÒC H 1 2 m

Ñ Ö Ô ØN G H ÌN H

T L :1 /4 0

D A ÙN G

K T

C N - 7 9

1 05

4 0 0

B /2 = 1 6 0 0

200

B / 2 = 1 6 0 0

6 0 0 6 0 0

B A ÛN G T R Ò S O Á T U Y E ÁN H ÌN H

9

1 0

1 01 5

5 6 0

8 6 0

4 7 5

7 7 0

6 86

1 14 5

84 8

2

7

6

8

3

5

4

1 30 0

1 3 6 8

11 8 7

1 2 70

11 8 01 08 5

1 18 0

1 04 59 6 0

1 3 94

1 4 4 8

1 30 0

1 4 0 81 3 201 23 0 1 48 0

V .L

1

G D 3G D 2G D 1 G D 4

1 /2 C H IE ÀU R O ÄN G

6 4 5

6 8 51 2 0 5

1 4 1 5 4 0

2 5 5

76 0

7 94

8 8 0 1 23 2

1 26 2

TH O ÂN G S O Á C Ô B A ÛN

4 2 5

4 6 5

5 3 0

5 9 0

0

0

1 5 30 0

1 6 00 0

6 55

61 0

71 0

7 9 0

7 6 5

8 3 0

58 0 7 4 0

M .B .C D .T

C H IE ÀU C A O

1 1 7 3

1 1 44

1 2 0 3

1 11 5

M .B .C

200

G D 4G D 3G D 2G D 1

-1 1 6 4 57 9 5 12 9 1--- - - -

1 6 00

1 6 00

--

4 2 5

4 6 5

5 3 0

5 9 0

6 4 5

6 8 5 9 33

1 23 0

1 23 0

1 23 0

1 23 0

1 23 0

1 3 20

1 3 20

1 3 20

1 3 20

1 3 20

1 4 0 8

1 4 0 8

1 4 0 8

1 4 0 81 4 0 8

1 4 0 8

1 48 0

1 48 0

1 48 0

1 48 0

1 48 0

1 6 00

1 6 00

1 6 00

1 6 00

1 6 00

0

0

0

0

0

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

4 2 5

58 0

58 0

58 0

58 0

58 0

7 4 0 1 11 5

7 4 0 1 11 5

7 4 0 1 11 5

7 4 0 1 11 5

7 4 0 1 11 5

700 807 963

187

474 637

MÔ HÌNH 3D TÀU 2000T

Design by Dr.Tran Gia Thai

Design by Dr.Tran Gia Thai

Design by Dr.Tran Gia Thai

MÔ HÌNH 3D TÀU DU LỊCH

Design by Dr.Tran Gia Thai

2.2.ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC

� Đặc điểm hình học là những đại lượng đặc trưng về mặt kích thước và hình dáng hình học thân tàu, được xác định đầu tiên trong quá trình thiết kế tàu, là cơ sở để xây dựng bản vẽ đường hình lý thuyết và ảnh hưởng đến các tính năng của tàu nên việc xác định chính xác chúng sẽ có ý nghĩa quan trọng.

� Các đặc điểm hình học thường được chia thành ba nhóm đại lượng chính như sau.

1.2.1.Các kích thước chính

Các kích thước chính gồm các đại lượng mô tả kích thước hình học của tàu như chiều dài, chiều rộng, chiều cao và mớn nước

1.Chiều dài tàu L (Length) :

(a) Chiều dài lớn nhất Lmax (Loa : Length over all) : khoảng cách tính từ mút mũi đến mút đuôi

(b) Chiều dài hai trụ Ltrụ (Lpp : Length between perpendicular) : khoảng cách giữa trụ mũi và trụ lái, với trụ mũi là trụ đi qua giao điểm của đường nước thiết kế (ĐNTK) với mép ngoài sống mũi và trụ đuôi là trụ bánh lái.

(c) Chiều dài thiết kế Ltk (Lwl : Waterplane length) : khoảng cách giữa giao điểm của đường nước thiết kế với mép ngoài sống mũi và sống đuôi, đo theo chiều dài tàu.

Lmax

Ltk

Lpp

Trụ mũi Trụ lái

Hình 1.4 : Cách xác định chiều dài tàu

ĐNTK

2.Chiều rộng tàu B (Breadth) :

(a) Chiều rộng lớn nhất Bmax (Boa : Breadth over all) : khoảng cách giữa hai mạn tàu, đo ở nơi lớn nhất

Lmax

Lpp

Ltk

Hình 1.5 : Cách xác định các đặc điểm hình học của tàu

(b) Chiều rộng thiết kế Btk : khoảng cách giữa hai mạn, đo theo đường nước thiết kế tại vị trí MCNGT.

Btk

Bmax

ĐNTK

TH

3.Chiều chìm hay mớn nước tàu T (d : draft) : khoảng cách thẳng đứng, tính từ đường cơ bản của tàu (đường thẳng qua đáy tàu) đến đường nước thiết kế, đo tại vị trí mặt cắt ngang giữa tàu.

4.Chiều cao tàu H (depth moulded) : khoảng cách thẳng đứng tính từ đường cơ bản đến mép boong tàu.

5.Chiều cao mạn khô F (Freeboard) : khoảng cách thẳng đứng tính từ ĐNTK đến mép boong tàu.

F = H - T

F

Hình 1.5 : Cách xác định các hệ số hình dáng

1.2.2.Tỷ số các kích thước chính

Tỷ số giữa các kích thước chính L/B, B/H, H/T là nhóm các đại lượng đặc trưng cho tính năng tàu, do đó việc lựa chọn chính xác các tỷ số kích thước sẽ đảm bảo được tính năng tàu là hợp lý nhất.

1.2.3.Các hệ số hình dáng

Các hệ số hình dáng là nhóm các đại lượng đặc trưng cho hình dáng hình học của thân tàu

1.Hệ số diện tích mặt đường nước α (Cw : Waterplane Coefficient) : tỷ số giữa diện tích MĐN đang xét S và diện tích hình chữ nhật ngoại tiếp mặt đường nước đó

2.Hệ số diện tích mặt cắt ngang β (CM : Midship Coefficient) : tỷ số giữa giá trị diện tích MCNGT ωvà giá trị diện tích của hình chữ nhật ngoại tiếp mặt cắt ngang đó

ω

B

T

BS

L

3.Hệ số đầy thể tích δ (Cb : Block Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V (thể tích phần chìm dưới nước của tàu) và thể tích hình hộp chữ nhật ngoại tiếp thể tích V

T

LB

4.Hệ số đầy lăng trụ dọc ϕ (Cp : Longitudinal prismatic Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và thể tích hình hộp lăng trụ dọc ngoại tiếp thể tích này

5.Hệ số đầy lăng trụ đứng χ (Cv : Vertical prismatic Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và thể tích hình hộp lăng trụ đứng ngoại tiếp thể tích này

T

L

1.2.4.Một số khái niệm cơ bản

1.Thể tích chiếm nước V (∇ ) : thể tích phần thân tàu chìm dưới nước, tính bằng m3 (hệ mét) hoặc

bằng cu.ft (hệ Anh - Mỹ) (1 cu.ft = 0,0283 m3)

2.Lượng chiếm nước D (∆ ) = γV : trọng lượng tàu ở trạng thái đang xét, bằng tấn trọng lượng (t, tm)

hoặc bằng long ton (hệ Anh - Mỹ) (1 long ton = 1,01605 tm)

3.Sức chở (deadweight : dwt) : trọng lượng hàng trên tàu (trọng tải) cùng hành khách và các dự trữ,

lương thực, nhiên liệu, nước ngọt v..v...

D = trọng lượng tàu không (Do) + deadweight

4.Tấn đăng ký (tonnage) : không tính bằng trọng lượng mà tính bằng đơn vị đo dung tích với

ý nghĩa là tấn đo dung tích tàu (1 tấn đăng ký = 100 cu.ft = 2,832 m3)

Tấn đăng ký được dùng chính thức và là đơn vị chính dùng trong

thống kê đội tàu, cơ sở tính thuế khi tàu qua kênh, đậu cảng v..v...

D = γV γ - trọng lượng riêng nước

1.3.HỆ TOẠ ĐỘ DÙNG TRONG BÀI TOÁN LÝ THUYẾT TÀU

� Để xây dựng bản vẽ đường hình và xác định các đặc điểm hình học của tàu, cần phải xác định hệ toạ độ thích hợp và đặt tàu nằm trong hệ toạ độ đó.

� Trong các bài toán tĩnh học thường sử dụng hệ toạ độ liên kết Oxyz gắn liền với tàu

Hình 1.6 : Hệ toạ độ dùng trong bài toán lý thuyết tàu

Vị trí tàu

Toạ độ (x,y,z)

Mớn nước T

O x

z

y

MCNGTz

xOTtb

ψ θ

- Mớn nước trung bình Ttb

- Góc nghiêng dọc ψ

- Góc nghiêng ngang θ z = Ttb + x tg ψ + y tg θ

1.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

� Tính nổi là khả năng tàu nổi cân bằng ở vị trí xác định ứng với chế độ tải trọng đang xét

� Khi nổi trên mặt nước, tàu chịu tác dụng của hai ngoại lực như sau (hình 3.1)

C

GTrọng lượng tàu P

- Đặt tại trọng tâm G của tàu

- Hướng thẳng đứng xuống dưới

- P = Pvỏ + Pmáy + Pdt + Phk + …

- Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu (tâm nổi)

- Hướng thẳng đứng lên trên

- D = γ V (γ - trọng lượng riêng của nước)

Hình dáng phần thân tàu dưới nước

Khối lượng và phân bố các tải trọng trên tàuẢnh hưởng tính nổi

Lực nổi D

(Lực đẩy Acsimec)

C

GTrọng lượng tàu P

- Đặt tại trọng tâm G của tàu

- Hướng thẳng đứng xuống dưới

- P = Pv + Pm + Pdt + Phk + …

Lực nổi D

(Lực đẩy Acsimec)

- Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu

- Hướng thẳng đứng xuống dưới

- D = γ V (γ - trọng lượng riêng của nước)

Điều kiện nổi cân bằng

- Điều kiện cân bằng lực

- Điều kiện cân bằng mômen

P = D

G và C nằm trên đường thẳng đứng vuông góc MĐN đang xét

P = D

(xc - xG) + (zc - zG) tg ψ = 0

(yc - yG) + (zc - zG) tg θ = 0

(xG, yG, zG) - toạ độ trọng tâm tàu G

(xc, yc, zc) - toạ độ tâm nổi tàu C

Đảm bảo tính nổi

Phương trình trên gọi là phương trình nổi xác định vị trí nổi của tàu

2.2.XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG VÀ TOẠ ĐỘ TRỌNG TÂM TÀU

2.3.XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI CỦA TÀU

� Yếu tố tính nổi� Thể tích chiếm nước V

� Toạ độ tâm nổi C(xc , yc , zc)

� Yếu tố đường hình� Các yếu tố mặt đường nước (MĐN)

� Các yếu tố mặt cắt ngang (MCN)

- Diện tích MĐN S

- Hoành độ trọng tâm xf

- Hệ số diện tích MĐN α

- Diện tích MCN ω

- Cao độ trọng tâm zω

- Hệ số diện tích MCN β

Phương trình nổi

O x

y

L/2 L/2

xf S

z

yO

ωzω

Hình 2.2 : Các yếu tố đường hình

2.3.1.Xác định các yếu tố đường hình

1.Tính các yếu tố MĐN

Xét một MĐN có diện tích S, chiều dài L và tách ra một phân tố diện tích dS bằng hai đường thẳng song song trục Oy, cách trục Oy đoạn x và cách nhau khoảng vô cùng bé dx

� Diện tích mặt đường nước S

� Hoành độ trọng tâm xf của diện tích mặt đường nước S

dS = ydx

O x

y

L/2 L/2

xf

dxx

dMSoy = xy dx

y

2.Tính các yếu tố MCN

Xét MCN có diện tích ω có chiều cao T và tách ra một phân tố diện tích dω bằng hai đường thẳng song song trục Oy, cách trục Oy đoạn z và cách nhau khoảng vô cùng bé dz

� Diện tích mặt cắt ngang

� Cao độ trọng tâm z ω của diện tích mặt cắt ngang ω

z

yO

dω = y dz

zω z

dzy

T

dMω oy = yz dz

2.3.2.Xác định các yếu tố tính nổidV = S dz

dMVyoz = Sxf dz

dMVxoy = Sz dz� Tách một phân tố thể tích vô cùng bé dV bằng hai cách :

- Hai mặt cắt song song mặt phẳng Oxy

- Hai mặt cắt song song mặt phẳng Oyz

dV = ω dx

dMVyoz = ωx dx

dMVxoy = ωz dx

z

dz

O x

z

dxx� Sử dụng phương pháp tích phân để tính

2.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN GẦN ĐÚNG

� Việc tính toán các tính năng hàng hải nói chung và tính toán tính nổi nói riêng thường dẫn đến việc tính tích phân xác định có dạng tổng quát :

� Do bề mặt vỏ tàu thường chỉ được biểu diễn dưới dạng các đường cong hình dáng nên để tính được giá trị tích phân nói trên cần phải sử dụng các phương pháp tính gần đúng.

2.4.1.Nguyên tắc chung

O a b x

y = f(x)y

S

Chia S thành các hình thành phần Si có thể tính được diện tích và tính S theo công thức

2.4.1.Phương pháp hình thang

- Chia diện tích S thành các diện tích thành phần Si

bằng các đường thẳng song song cách đều

- Thay đường y = f(x) bằng đường gẫy khúc đi qua đỉnh các tung độ kế tiếp nhau yo, y1, ..., yn

- Tính tích phân theo giá trị diện tích S

y = f(x)

O 0 n x

y

yo y1 yn-1 yn

1 n - 1...

L

∆L

3.4.ỨNG DỤNG CÔNG THỨC HÌNH THANG ĐỂ TÍNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI

3.4.1.Tính các yếu tố của mặt đường nước

Xét một mặt đường nước tàu có chiều dài L, được chia cách đều bởi n các mặt cắt ngang đánh theo số thứ tự 0, 1, 2, … , n tính từ đuôi cho đến mũi tàu.

O x

y

L/2 L/2

0 1 n-1 n

1.Diện tích mặt đường nước

2.Hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước

3.4.2.Tính các yếu tố của mặt cắt ngang

Xét một mặt cắt ngang của tàu được chia cách đều bởi k mặt đường nước đánh theo số thứ tự 0, 1, 2, … , k tính từ dưới lên đến mớn nước tàu T.

1.Diện tích mặt cắt ngang

2.Cao độ trọng tâm diện tích mặt cắt ngang

z

yO

zω

T

1

2

k

yi

3.4.3.Tính các yếu tố tính nổi

1.Tính thể tích chiếm nước V

2.Tính toạ độ tâm nổi

Si, xfi - diện tích và hoành độ trọng tâm mặt đường nước thứ i

ωmi, ωdi - diện tích mặt cắt ngang phía mũi và phía đuôi

ωi, zωi - diện tích và cao độ trọng tâm của mặt cắt ngang thứ i

3.5.ĐƯỜNG CONG CÁC YẾU TỐ TĨNH NỔI (Hydrostatic Curves)

� Trình tự xây dựng :

- Tính các giá trị các yếu tố tĩnh thủy lực ở các mớn nước tàu Ti khác nhau

- Trong hệ toạ độ Oxy, với trục Oy biểu diễn các mớn nước Ti và tương ứng với các mớn nước lấy theo trục Ox giá trị các yếu tố tính nổi tính cho mớn nước đó theo các tỷ lệ xích nhất định.

- Giá trị các yếu tố tính nổi ở mớn nước bất kỳ sẽ được xác định bởi giao điểm của mớn nước tính theo tỷ lệ xích của trục tung với các đường cong tính nổi, tính theo tỷ lệ xích trục hoành.

- Thường chia 3 nhóm đồ thị có cùng gốc tọa độ là nhóm đường V, D, S = f(T), nhóm xc, xf, zc = f(T), nhóm α, β, δ = f(T), có ghi tỷ lệ xích trên các đường cong.

- Chỉ dùng trong trường hợp tàu không có nghiêng ngang (θ = 0)và nghiêng dọc (ψ = 0)

� Đồ thị biểu diễn các yếu tố tính nổi theo mớn nước tàu : D, V, S, xc, xf, zc, α, β, δ = f(T)

Chú ý :

3.6.ĐỒ THỊ BONGGIEN

� Trình tự xây dựng :

- Tỷ lệ theo chiều dài và chiều cao tàu khác nhau

- Ghi đầy đủ tỷ lệ xích của các đại lượng trên đồ thị

� Đồ thị gồm các đường ω = f(T), biểu diễn sự thay đổi giá trị diện tích các mặt cắt ngang với mớn nước tàu T

Chú ý :

3.6. ĐỒ THỊ PHIAXỐP

� Đồ thị Phia xốp là đồ thị V, xc = f(Tm , Tđ) biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố tính nổi với mớn nước mũi và mớn nước đuôi tàu

� Trình tự

- Vẽ trên đồ thị Bong gien các mớn nước nghiêng dọc (Tmi , Tdj) khác nhau

-Tương ứng với các mớn nước nghiêng dọc, xác định giá trị các yếu tố tính nổi của tàu

- Xây dựng trong hệ toạ độ OTmTđ các đường V, xc = const

3.7.CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN TÍNH NỔI CHO TÀU ĐI BIỂN

� Tính nổi là phần thể tích kín nước VH nằm phía trên đường nước tàu đang nổi, xác định trọng lượng của tải trọng phụ có thể nhận cho đến khi tàu mất khả năng chạy trên nước.

3.7.1.Biện pháp thiết kế

- Lựa chọn các kích thước

- Thiết kế hình dángĐảm bảo dự trữ nổi

�Dự trữ nổi là phần thể tích kín nước nằm phía trên đường nước thiết kế

Chiều cao mạn khô f

Dự trữ nổi tương đối ∆V = .100V

VH

3.7.2.Biện pháp kết cấu và công nghệ

- Đảm bảo độ bền và tính kín nước của tất cả kết cấu, nhất là các kết cấu dưới nước

- Sử dụng các vách ngăn kín nước

3.7.3.Biện pháp sử dụng

- Đảm bảo mớn nước tai nạn không vượt mớn nước giới hạn, cách mép boong kín nước 76 mm

- Đảm bảo mớn nước thực tế không vượt quá dấu tải trọng, dấu hiệu quy định mớn nước tối đa không được vượt quá, tuỳ theo mùa và tuỳ theo vùng

6866

64

Ngậ

p sâ

u 6,

7 m

Ngậ

p sâ

u 6,

6 m

10 c

m10

cm

Dấu mớn nước

WNAW

S

T

Boong trên

300 mm

300 mm

450 mmF

= H

-T

FTF

540 mm về phía mũi tàu

230 mm

Dấu tải trọng (dấu hiệu chở hàng)

4.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

4.1.1.Định nghĩa

� Khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng

� Khả năng chống lại mômen ngoại lực

4.1.2.Bản chất của ổn định

C C

GMômen nghiêng do gió, do phân bố tải trọng …

lhp

Mng

Mhp = P.lhp

GP

D

P

D

Điều kiện cân bằng : Mng = Mhp

Mng

C

GMng

Mhp< 0

C

GMng

P

D

P

D

Hình dáng của phần thân tàu dưới nước

Khối lượng và phân bố các tải trọng trên tàu MỨC ĐỘ

ỔN ĐỊNHNGUYÊN NHÂN GÂY LẬT TÀU

Mhp = 0

4.1.3.Phân biệt các khái niệm

� Ổn định ngang và ổn định dọc

- Ổn định ngang : ổn định trong mặt phẳng ngang, đặc trưng bởi góc nghiêng ngang θ

- Ổn định dọc : ổn định trong mặt phẳng dọc, đặc trưng bởi góc nghiêng dọc ψ

� Ổn định tĩnh và ổn định động

- Ổn định tĩnh : mômen nghiêng là mômen tĩnh, tàu nghiêng từ từ, không có gia tốc

- Ổn định dọc : mômen nghiêng là mômen động, tàu nghiêng đột ngột, có gia tốc

� Ổn định ban đầu và ổn định góc nghiêng lớn

- Ổn định ban đầu : ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng nhỏ θ <= 10o - 12o

- Ổn định góc nghiêng lớn : ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng lớn θ > 10o - 12o

� Chủ yếu chỉ nghiên cứu ổn định ngang vì nguy hiểm hơn � Công thức ổn định dọc hoàn toàn tương tự ổn định ngang

4.2.BIỂU THỨC TÍNH CÁNH TAY ĐÒN HỒI PHỤC VÀ MÔMEN HỒI PHỤC

ΣM0 = 0 Tàu nổi cân bằng

Mng + zG Psinθ - yc Dcosθ - zc Dsinθ = 0

Mng = P(yc cosθ + sinθ zc - zG sinθ)

Điều kiện cân bằng : Mng = Mhp

Mng = Plhp = P(yc cosθ + zcsinθ - zG sinθ)

lhp = yc cosθ + zcsinθ - zG sinθ

G

Mhp = P.lhp

P

Psinθ

Pcosθ

Dcosθ

Dsinθ

O

zG

Co

zco

yc

zc

y

z

D

C

lhp

θ

Mng

lhd = yc cosθ + zcsinθ : cánh tay đòn hình dạng phụ thuộc hình dạng tàu

lhp = lhd - ltl

ltl = zGsinθ : cánh tay đòn trọng lượng, phụthuộc trọng lượng và sự phân bố

Xét trường hợp tàu nổi cân bằng, sau đó bị nghiêng dưới tác dụng của mômen ngoại lực

4.3.TÂM NỔI - TÂM ỔN ĐỊNH

4.3.1.Tâm nổi - Tâm ổn định

O

D C'

G

Pθ

zG

Co

zco

yc

zc

y

z

Wo Lo

W1

L1

� Khi tàu nghiêng, tâm nổi di chuyển trên đường cong không gian bất kỳ và tiếp tuyến tại mỗi điểm trên đường cong này sẽ song song đường nước tương ứng vị trí tâm nổi đang xét.

WoLo θ = 0 Co

W1L1 θ C (yc , zc)

W1L1 θ + dθ C' (yc+dyc , zc+dzc)

dyc

dθ

C

dzc

M

I

dθ

� Hai pháp tuyến với đường cong tâm nổi tại C, C' cắt nhau tại tâm nghiêng M (hay tâm ổn định) và r =MC là bán kính tâm nghiêng (b.kính tâm ổn định)

dyc = CC'cosθ = rcosθ dθ

dzc = CC'sinθ = rsinθ dθ

Ix - mômen quán tính diện tích MĐN đang xét đối với trục Ox

r = Ix / V

V - thể tích chiếm nước của tàu

4.4. ĐỒ THỊ ỔN ĐỊNH TĨNH

� Đồ thị ổn định tĩnh Mhp = f(θ) hoặc lhp = f(θ) là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mômen hồi phục (hoặc cánh tay đòn ổn định) và góc nghiêng θ

Mhp (lhp)

Góc nghiêng θ (độ)O

Góc lặn

Mmax

θv

� Đồ thị ổn định tĩnh được sử dụng trong kiểm tra và đánh giá mức độ ổn định của tàu

lhp = yccosθ + zcsinθ - zGsinθ

θ

4.4. ĐỒ THỊ ỔN ĐỊNH TĨNH

� Đồ thị ổn định tĩnh Mhp = f(θ) hoặc lhp = f(θ) là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mômen hồi phục (hoặc cánh tay đòn ổn định) và góc nghiêng θ

Mhp (lhp)

Góc nghiêng θ (độ)O1 rad = 57o3'

ho = tgα

Tiếp tuyến

Góc lặnα

Mmax

θv

� Đồ thị ổn định tĩnh được sử dụng trong kiểm tra và đánh giá mức độ ổn định của tàu

lhp = yccosθ + zcsinθ - zGsinθ

4.6.LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH BAN ĐẦU

� Ổn định ban đầu là ổn định ở góc nghiêng nhỏ θ <= 10 - 12o

� Do góc nghiêng nhỏ nên tâm nổi dịch chuyển trên cung tròn tâm Mo nằm trên trục Oz

y

θ

O

zG

Co

zco

Wo Lo

Mo

ro

G

ho

a

z

C

K

Mhp = Plhp = P.GK = P . MoG . sinθ = Phosinθ

ho = MoG - chiều cao tâm nghiêng ban đầu

Vì θ bé nên sinθ ≈ θ

Mhp = Phoθ

lhp = hoθ

ho = ro - a = ro + zco - zG

Tính tương tự với ổn định dọc

Mhp = PHoψ

Ho = Ro + zco - zG - chiều cao tâm nghiêng dọc ban đầu

4.6.1.Các công thức ổn định ban đầu

� ho là đại lượng ảnh hưởng rất lớn đến ổn định của tàu

Mhp (lhp)

Góc nghiêng θ (độ)O1 rad = 57o3'

ho = tgα

Tiếp tuyến

Góc lặnα

Mmax

θv

lhp = yccosθ + zcsinθ - zGsinθ

� Do lhp = hoθ nên ho là hệ số góc của đồ thị có thể xác định được trên đồ thị ổn định tĩnh bằng phương pháp vẽ

4.6.2. Ứng dụng công thức ổn định ban đầu giải quyết các bài toán thực tế

� Quá trình thay đổi tải trọng trên tàu như di chuyển tải trọng, thêm bớt tải trọng v..v... thường gây nghiêng tàu ở góc nghiêng nhỏ nên có thể dùng công thức ổn định ban đầu để tính sự thay đổi ổn định tàu

� Mức độ thay đổi ổn định tàu được thể hiện qua sự thay đổi chiều cao tâm ổn định ngang ∆h và chiều cao tâm ổn định dọc ∆H trước và sau khi nghiêng tính theo công thức :

∆h = h1 - ho = (r1 - ro) + (zc1 - zco) - (zG1 - zGo) = ∆r + ∆zc - ∆zG

Ký hiệu 1, 0 lần lượt là ký hiệu cho các đại lượng đã biết trước và sau khi nghiêng

∆H = H1 - Ho = ∆R + ∆zc - ∆zG

1.Xác định ảnh hưởng của quá trình di chuyển tải trọng rắn nhỏ đến ổn định tàu

� Xét sự di chuyển tải trọng rắn có trọng lượng p từ A(xA, yA, zA) đến B(xB, yB, zB)

� Chia quá trình di chuyển thành 3 giai đoạn :

yO

z

A(xA, yA, zA)

zA

zB

zG1zGo

Go

G1

A

B1

B1(xA, yA, zB)

yO

z

B1

yA

yB

B2

x

z

O

B

xB

xA

B2

B2(xA, yB, zB) B(xB, yB, zB)

θ ψ

Di chuyển thẳng đứng

Di chuyển ngang tàu

Di chuyển dọc tàu

Xuất hiện nghiêng ngang Xuất hiện nghiêng dọcThay đổi cao độ trọng tâm

Mng = p(yB - yA) = Phoθ Md = p(xB - xA) = PHo ψ

2.Xác định ảnh hưởng của quá trình thêm (bớt) tải trọng rắn nhỏ đến ổn định tàu

� Chia quá trình thêm bớt tải trọng trên tàu thành 2 giai đoạn :

� Thêm tải trọng p lên trọng tâm diện tích mặt đường nước F : không gây nghiêng� Di chuyển tải trọng p từ F đến vị trí cần thiết trên tàu : đã khảo sát

� Việc thêm bớt tải trọng tại trọng tâm F của diện tích MĐN gây ra các ảnh hưởng sau :

zG1

zGo

Go

G1

T T + ∆T

� Độ thay đổi mớn nước tàu ∆T

Co

C1

zC1zCo

� Độ thay đổi ổn định tàu ∆h

∆h = ∆r + ∆zc - ∆zG

z

O y

Do mớn nước thay đổi nên ổn định tàu thay đổi lượng ∆h

zG1

zGo

Go

G1

T T + ∆TCo

C1

zC1zCo

z

O y

∆zG

∆zc

Wo

W1 L1

Lo

3.Xác định ảnh hưởng của vật treo hay vật lăn đến ổn định tàu

4.Xác định ảnh hưởng của tải trọng lỏng đến ổn định tàu

�Trường hợp hàng lỏng chứa đầy trong khoang từ đáy đến nắp và không có mặt thoáng, ảnh hưởng của hàng lỏng đến ổn định tàu tính tương tự như tải trọng rắn

�Trường hợp hàng lỏng không được chứa đầy trong khoang, tức là có xuất hiện mặt thoáng, cần tính ảnh hưởng của mặt thoáng hàng lỏng đến ổn định tàu

Xét trường hợp trên tàu có khoang chứa hàng lỏng thể tích v và khối lượng riêng γcl

Khi tàu nghiêng góc θ, mặt thoáng chất lỏng trong khoang cũng nghiêng góc θ, trọng tâm của khối chất lỏng dịch chuyển từ vị trí co đến c, gây mômen nghiêng phụ xác định theo công thức :

mph = pcl coc = pcl ρ θ

= γcl v ix/v θ = γcl ix θ

Mng = Mhp - mph

= Pho θ - γcl ix θ =

Mặt thoáng chất lỏng Giảm ổn định tàu khi nghiêng

4.7. ỔN ĐỊNH ĐỘNG

� Ổn định động là ổn định tàu khi Mng là mômen động, tàu nghiêng đột ngột có gia tốc góc

4.7.1.Khái niệm

4.7.2.Phương trình vi phân của chuyển động

4.7.3.Biểu thức tính tay đòn ổn định động

4.8.TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH

�Tiêu chuẩn ổn định là các chỉ tiêu, định mức để kiểm tra, đánh giá mức độ ổn định tàu

�Tuỳ theo cách đặt vấn đề, có hai hệ tiêu chuẩn chính

4.8.1.Hệ tiêu chuẩn vật lý

�Thiết lập trên cơ sở giải phương trình cân bằng của tàu dưới tác dụng mômen ngoại lực

�Tiêu chuẩn khoa học và vạn năng nhưng khó thiết lập

�Tiêu chuẩn trích trong Quy phạm của Nga và Việt nam

Tàu đảm bảo ổn định : K = Mng / Mgh <= 1

Mng = 0,001pSz - mômen nghiêng tác dụng

p - áp lực gió

S - diện tích hứng gió

z - tay đòn hứng gió

Mgh - mômen giới hạn, xác định khi tàu nghiêng với góc nghiêng ban đầu θo

4.8.2.Hệ tiêu chuẩn thống kê

�Thiết lập trên cơ sở :

- Thống kê các tàu bị tai nạn do thiếu ổn định

- Xác định các yếu tố ổn định là nguyên nhân gây lật tàu

- Xác định giới hạn dưới và đưa thành tiêu chuẩn

�Tiêu chuẩn dễ thiết lập và phù hợp với thực tế nhưng cứng nhắc, hạn chế sự sáng tạo ra mẫu tàu mới

� Các tiêu chuẩn ổn định thống kê hiện nay thường thiết lập theo công trình nghiên cứu của nhà khoa học Hà Lan Rakhole dựa trên cơ sở quy định đối với đồ thị ổn định tối thiểu :

- Thống kê đồ thị ổn định của các tàu bị tai nạn do thiếu ổn định

- Xác định đồ thị ổn định tối thiểu và đưa thành tiêu chuẩn đối với đồ thị ổn định

θO

Đồ thị các tàu tai nạn

ld

Đồ thị ổn định tối thiểu

� Ví dụ hệ tiêu chuẩn ổn định thống kê đối với tàu cá hiện nay là hệ tiêu chuẩn do IMO thiết lập dựa trên cơ sở công trình nghiên cứu của nhà khoa học người Hà Lan là Rakhole

1.ho >= 0,35 (m)

2.l30 >= 0,22 (m)

3.θm >= 25 - 30o

4.ld30 >= 0,03 (m)

5.ld40 >= 0,09 (m)

6.ld40 - ld30 >= 0,05 (m)

θm

ho

1 rad = 57o3’

Tiếp tuyến

θO

ld

ld

lhp

4.9.THÔNG TIN ỔN ĐỊNH

Thông tin ổn định là những tư liệu cần thiết về ổn định nhằm giúp người sử dụng có thể kiểm tra, đánh giá mức độ ổn định của tàu trong điều kiện khai thác thực tế

4.9.1.Khái niệm

4.9.2.Các nội dung chính

1.Giới thiệu chung về tàu : công dụng, vùng hoạt động, quy phạm áp dụng v..v…

2.Thông tin về mức độ ổn định của tàu

�Mức độ ổn định của tàu được thể hiện dưới dạng các đồ thị ổn định, xây dựng cho các chế độ tải trọng điển hình (chế độ tải trọng nguy hiểm nhất về ổn định)

�Ví dụ về các chế độ tải trọng nguy hiểm đối với tàu cá (theo Quy phạm Việt nam)

- Ra ngư trường với 100% dự trữ

- Tàu từ ngư trường trở về với 100% sản phẩm + 10% dự trữ

- Tàu từ ngư trường trở về với 20% sản phẩm + 70% đá, muối + 10% dự trữ

- Tàu đang trên ngư trường với cá và lưới ướt trên boong + 25% dự trữ

3.Kiểm tra ổn định tàu

- Kiểm tra theo cao độ trọng tâm tàu zG

zG <= [zG]

zG - cao độ trọng tâm tàu tại thời điểm kiểm tra

[zG] - cao độ trọng tâm giới hạn, xác định từ các tiêu chuẩn ổn định lựa chọn

- Kiểm tra theo chiều cao tâm nghiêng ban đầu ho

ho >= [ho]

[ho] - chiều cao tâm nghiêng giới hạn, xác định tương tự [zG]

ho - chiều cao tâm nghiêng tàu tại thời điểm kiểm tra, có thể tính gần đúng từ

công thức tính chu kỳ lắc tàu như sau

5.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

5.1.1.Định nghĩa

� Khả năng tàu đảm bảo được tính nổi và tính ổn định trong trường hợp tàu bị tai nạn thủng khoang, nước dồn vào bên trong

5.1.2.Tính toán tính ổn định

Tàu tai nạnTính các đại lượng tính nổi : ∆T, θ, ψ

Tính các đại lượng ổn định : ∆ho

Đảm bảo nằm trong giới hạn

5.1.3.Phân loại khoang tai nạn

- Khoang loại 1 : nước bên trong không liên hệ nước bên ngoài

- Khoang loại 2 : nước bên trong có liên hệ nước bên ngoài

5.1.4.Hệ số ngập nước

µ = vtt/vlt

vtt - thể tích nước dồn vào khoang

vlt - thể tích lý thuyết của khoang

5.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TÍNH CHỐNG CHÌM

5.2.1.Phương pháp thêm tải

� Tính tương tự trường hợp tàu nhận thêm một tải trọng p đặt tại vị trí trọng tâm khoang tai nạn với trọng lượng bằng trọng lượng thể tích nước dồn vào khoang đó

� Áp dụng các công thức tính ảnh hưởng quá trình thêm tải trọng rắn đến ổn định tàu để xác định các đại lượng đặc trưng cho tính nổi và tính ổn định sau khi tàu tai nạn

5.2.2.Phương pháp lượng chiếm nước không đổi

� Xây dựng trên cơ sở giả thiết khi tàu tai nạn, nước dồn vào trong khoang thì xem như khoang này không còn thuộc tàu nữa.

�Giả sử khoang tai nạn có toạ độ (xv, yv, zv), diện tích mặt khoang là s với toạ độ (xs, ys)

5.3. ĐƯỜNG CONG PHÂN KHOANG

Đảm bảo tính chống chìm

Phân khoang

x

Đường cong giới hạn

Đường nước giới hạn

76 mm

xvO

z

vi

Mớn nước tai nạn dưới đường nước giới hạn (đường nước cách mép boong kín nước 76 mm)

vi = Vi - V

Vi - mớn nước sau khi tàu tai nạn.

vi - thể tích nước trong khoang tai nạn

Nếu đường nước tàu trùng với ĐNGH

vigh = Vigh - V

v - thể tích khoang giới hạn, là khoang

mà khi tai nạn tàu nổi theo ĐNGH

Đảm bảo tính chống chìm Phân khoang v < vgh

z

Đường cong giới hạn

Đường nước giới hạn

76 mm

xv xO

vi

Sử dụng đồ thị Bongien

Vẽ các đường nước giới hạn

Vigh

xcigh

vigh = Vigh - V xvigh = (xcigh.Vigh - xcV)/vigh

Xây dựng đường cong thể tích khoang giới hạn vgh = f(xv)

z

xv xO

vi

vgh = f(xv)

vigh

Xây dựng đường cong chiều dài khoang giới hạn lgh = f(xv)

α = 63o5' = arctg2

lgh = f(xv)

Xây dựng đường cong chiều dài khoang giới hạn lgh = f(xv)

li

li

lgh

lgh

µ = 0,6µ = 0,85

µ = 0,65 lcp = f(xv)

z

xv xO

vgh = f(xv)

vigh

vigh

lgh

Điều chỉnh lên xuống đoạn vigh để 2 diện tích gạch chéo bằng nhau

5.4.CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN CHỐNG CHÌM CHO TÀU ĐI BIỂN

5.4.1.Biện pháp phân khoang

Đảm bảo tính chống chìm Phân khoang lkhoang < lcp = klgh (k - hệ số phân khoang)

5.4.2.Các biện pháp cứu tàu khi bị tai nạn thủng khoang

�Tai nạn thủng khoang sẽ làm thiệt hại về tính nổi và tính ổn định của tàu

� Nguy cơ lật tàu do mất ổn định xảy ra nhanh và bất ngờ hơn nên cần áp dụng ngay các biện pháp khắc phục tính ổn định trước

� Trình tự xử lý tàu bị tai nạn thủng khoang

1.Xác định vị trí, kích thước, lưu lượng nước qua lỗ thủng và tìm cách bịt kín lỗ thủng

�Phát hiện vị trí lỗ thủng bằng các cách :

� Phán đoán dựa vào nguyên nhân tai nạn hoặc quan sát vị trí bọt khí nổi

� Quan sát sự thay đổi mực nước trong khoang để xác định khoang bị thủng

� Dựa vào độ nghiêng tàu khi bị thủng và sử dụng vợt rà lỗ thủng

� Dựa vào lượng nước chảy để xác định sơ bộ kích thước lỗ thủng

� Cho thợ lặn xác định vị trí và kích thước lỗ thủng nhưng hết sức cẩn thận

� Xác định lượng nước chảy qua lỗ thủng

� Tốc độ dòng chảy qua lỗ thủng :

� Lưu lượng nước chảy qua lỗ thủng trong một đơn vị thời gian q (m3/s)

� Bịt kín lỗ thủng bằng các dụng cụ như nêm và chốt gỗ, thảm bạt cứu thủng v..v…

� Nếu dùng bơm để bơm nước khỏi tàu phải dùng máy bơm có lưu lượng : A > q

2. Đóng các cửa kín nước để cách ly hầm bị thủng với các hầm kế cận nhằm hạn chế lượng nước tràn vào tàu

3.Tìm cách hạ thấp trọng tâm và khắc phục mặt thoáng của khối chất lỏng trong khoang

4.Tìm cách cân bằng tàu, thậm chí làm tàu nghiêng ngang để giảm giảm bớt tốc độ dòng chảy qua lỗ thủng và bơm nước ra ngoài tàu

� Di chuyển các tải trọng trên tàu

� Sử dụng phao nổi gắn vào mạn bị thủng

Khi gặp tai nạn, thuyền trưởng cần bình tĩnh tiến hành công việc cứu nạn khẩn trương, phát tín hiệu cấp cứu khi cần thiết, ghi vào nhật ký hàng hải và báo cáo cơ quan chủ quản nội dung, nghuyên nhân, địa điểm và thời gian tai nạn, cùng với các biện pháp xử lý.

6.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

� Khả năng tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hướng chuyển động tuỳ theo sự điều khiển

� Tính điều khiển gồm tính giữ hướng và tính quay trở mâu thuẫn lẫn nhau

� Tính điều khiển được đảm bảo nhờ hệ thống lái tàu gồm : máy lái + bánh lái

6.2.QUÁ TRÌNH QUAY VÒNG CỦA TÀU

� Đặt bánh lái nằm trong mặt phẳng dọc giữa tàu : tàu chạy thẳng

� Đặt bánh lái lệch mạn phải góc quay lái α : tàu quay vòng

Chia quá trình quay vòng của tàu thành 3 giai đoạn

Xét trường hợp tàu đang chạy tới với tốc độ V

6.2.1. Đặc điểm của quá trình quay vòng của tàu

1.Giai đoạn cơ động : tính từ lúc quay bánh lái (α = 0) đến lúc đặt ở góc quay lái α = αo

F

FyFx

� Do bánh lái đặt lệch dòng chảy góc αnên xuất hiện lực nâng F tác dụng vuông góc và đặt tại trọng tâm của bánh lái.

� Chia lực F thành 2 thành phần :

- Lực Fx ngược chiều V : giảm V tàu- Lực Fy vuông góc V : tàu bị trôi ngang

Fy

phương vận tốc tạo với phương chạy tới góc dạt β

Xuất hiện áp lực thuỷ động R tác dụng lên thân tàu

Fx

RyRx

F

RFy

� Chia lực R thành 2 thành phần :

- Lực Rx ngược chiều V : giảm V tàu

tạo mômen quay tàu (Ry, Fy)

- Lực Ry vuông góc V : tăng dần theo độ tăng góc dạt đến giá trị lực Fy tại β = βo

F Fx

Vβ

Vβo

V

V

2.Giai đoạn biến đổi đều : tính từ lúc đặt ở góc α = αo đến lúc hệ lực tác dụng cân bằng

�Tàu chạy với góc dạt βo tăng dần lên và lực R được cân bằng do xuất hiện lực quán tính ly tâm khi chuyển động tròn.

� Giai đoạn hai kết thúc lúc góc dạt ngừng tăng và còn tất cả lực tác dụng lên tàu và bánh lái như : lực đẩy chân vịt, lực thủy động tác dụng trên bánh lái và vỏ tàu, lực ly tâm bắt đầu cân bằng.

F

Fy

Fx

F

Fy

Fx

F Fx

R

RyRx

Fy

V

V

V

β

βo

βo

3.Giai đoạn chuyển động ổn định

�Các lực tác dụng lên tàu và bánh lái cân bằng lẫn nhau nên tàu chạy với vận tốc không đổi

�Quỹ đạo chuyển động của tàu chuyển thành vòng tròn.

�Quỹ đạo chuyển động tàu thay đổi với tâm cong dịch dần vào trong vòng quay

6.2.2.Các thông số của quá trình quay vòng

1.Đường kính quay vòng D

� Công thức kinh nghiệm

�Đường kính của vòng quay ổn định

D=

2R

�Xác định theo các phương pháp :

� Công thức gần đúng

� Thả phao khi thử chạy tàu

2.Đường kính chiến thuật DT

DT = (0,9 - 1,2)D

F

Fy

Fx

F

Fy

Fx

F Fx

R

RyRx

Fy

V

V

V

β

βo

βo

l = (0,01 - 0,05)D

�Khoảng cách giữa hai trọng tâm sau khi tàu quay 180o

3.Khoảng trôi dạt l

4.Vận tốc tàu khi quay vòng

� Do sự xuất hiện các lực cản Fx và Rx nên tốc độ tàu khi đi vào quay vòng ổn định nhỏ hơn tốc độ tàu trước khi đi vào quay vòng.

� Có thể xác định theo các công thức

6.3.XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG TÀU KHI QUAY VÒNG

z

O y

K Ry

zKzF

Fy F

GQy

zG

� Các lực tác dụng lên tàu khi quay vòng

� Lực nâng Fy

- Đặt tại trọng tâm F của bánh lái

- Hướng nằm ngang

- Fy = Cyα Sbl ρ V2/2

� Lực thuỷ động Ry

- Đặt tại tâm thuỷ động K (trọng tâm phần thân tàu chìm dưới nước)

- Hướng nằm ngang

- Ry

� Lực quán tính ly tâm Qy

- Đặt tại trọng tâm G của tàu

- Hướng nằm ngang

- Qy = mVqv2 / R

Khi tàu nghiêng góc θ

θ

Phoθ

∑ MK = Phoθ - Qy(zG - zK) + Fy(zK - zF) = 0

Xuất hiện thành phần mômen hồi phục Mhp = Phoθ

(vì zK ≈zF ≈T/2)

9.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

9.1.1.Định nghĩa

� Dao động lắc là dao động tuần hoàn của tàu khi chạy trên nước tĩnh hoặc trên sóng biển

Khi tàu chuyển động trong thực tế

Chịu tác dụng của hệ lực rất phức tạp R, P, sóng …

Chuyển động của tàu rất phức tạp

Vectơ mômen chính bằng tổng các mômen tác dụng

Vectơ lực chính bằng tổng các ngoại lực tác dụng

3 chuyển động quay

3 chuyển động tịnh tiến

� Phân tích chuyển động của tàu

� Để khảo sát chuyển động phức tạp của tàu thường sử dụng hai hệ toạ độ

� Hệ toạ độ cố định Oxyz bố trí như trong bài toán tĩnh học đặt cố định tại nơi tàu đậu

� Hệ toạ độ liên kết GXYZ đặt tại trọng tâm G và gắn cố định với tàu

O x

Z

y

MCNGTz

Y

XG

ψ

θ

ν

x

y

z

� Trong hai hệ toạ độ này, chuyển động phức tạp của tàu được chia thành 6 chuyển động gồm

� 3 chuyển động tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz đặc trưng bởi độ dịch chuyển x, y z của trọng tâm tàu theo các trục này

� 3 chuyển động quay xung quanh các trục GX,GY,GZ đặc trưng bởi các góc θ, ψ, νquanh các trục này

9.1.2.Hệ phương trình chuyển động của tàu

9.1.3.Các thông số của dao động lắc

� Chu kỳ lắc T : khoảng thời gian tàu dao động từ vị trí biên này đến vị trí biên kia

�Tần số lắc n : số dao động toàn phần sau thời gian 2π giây

� Biên độ lắc θ : độ dịch chuyển của tàu từ vị trí cân bằng đến vị trí biên.

� Độ lắc : độ dịch chuyển toàn bộ từ vị trí biên này đến vị trí biên khác.

9.1.4. Tác hại của dao động lắc

� Làm giảm tốc độ tàu và tăng chi phí nhiên liệu trên cùng một quãng đường.

� Ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc của thiết bị và thuỷ thủ

� Làm xuất hiện các ứng suất phụ trong các kết cấu vỏ.

�Có thể gây lật tàu.

9.2.DAO ĐỘNG LẮC CỦA TÀU TRÊN NƯỚC TĨNH

9.2.1.Dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh không tính đến sức cản

�Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh không tính đến sức cản

O y

z

Mhp=Phoθ

θ(Ix + ∆Ix) = ∑M = - Phoθθ&&

(Ix + ∆Ix) + Phoθ = 0θ&&

+ nθ2 θ = 0θ&&

θ = C1cos nθt + C2sin nθt

Các hằng số C1, C2 xác định từ điều kiện biên.

θ = θocos nθt

θ

tO

- θo

θo

Nghiệm phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất nói trên có dạng :

với : nθ = : tần số dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh không sức cảnxx

o

II

Ph

∆+

�Dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh không có sức cản là dao dộng tuần hoàn

không tắt dần với tần số dao động riêng o

xx

Ph

II2

n

2T

∆+π=

π=

θ

θ

θ (t = 0) = C1 = θo ⇒ C1= θo

(t = 0) = C2nθ = 0 ⇒ C2= 0θ&

9.2.2.Dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh có tính đến sức cản

�Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh có tính sức cản

O y

z

Mhp=Phoθ

θ

θ = e-νt (C1cos ωt + C2sin ωt)

Các hằng số C1, C2 xác định từ điều kiện biên.

Nghiệm phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất nói trên có dạng :

θ (t = 0) = C1 = θo ⇒ C1= θo

�Mômen cản tỷ lệ với vận tốc góc : Mc = 2N (N - hệ số tỷ lệ)θ&

Mc = 2Nθ&

(Ix + ∆Ix) = ∑M = - Phoθ - 2Nθ&& θ&

(Ix + ∆Ix) + 2N + Phoθ = 0θ&& θ&

+ 2ν + nθ2 θ = 0θ&& θ&

với : 2ν = - hệ số tỷ lệ tương đối của sức cảnxx II

N2

∆+

với : ω = - tần số dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh có tính sức cản. 22n ν−

θ

(t = 0) = -νC1 + C2ω ⇒ C2=θ&ω

θν=

ω

νo1

C

ω

νĐặt tg β =

θ = e-νt(θocos ωt + sin ωt) = θoe-νt (cos ωt + sin ωt)

ω

νθo

ω

ν

θ = θoe-νt (cos ωt + tg β sin ωt) = e-νt θo(cos ωt cosβ + sin ωt sin β)

β

θ

coso

θ = θmaxe-νt cos (ωt - β)

2

o

2

o

o 1tg1cos

ω

ν+θ=β+θ=

β

θvới : θmax = - biên độ dao động cực đại của tàu

θ

tO

θo

θmaxe-νt

θma

x

�Dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh có sức cản là dao dộng tuần hoàn tắt dần với tần số dao động ω = 22n ν−

θ

�Sức cản hầu như không ảnh hưởng đến tần số dao động vì ν = 0,1nθ nên ω = ≈ nθ

2n99,0θ

9.3.DAO ĐỘNG LẮC CỦA TÀU TRÊN SÓNG BIỂN

9.3.1.Vài nét về sóng biển

�Sóng biển hình thành do ảnh hưởng của gió gây ra sự mất cân bằng áp suất trên bề mặt, làm các phần tử nước chuyển động trong mặt phẳng đứng,vẽ lên quỹ đạo gần như hình tròn.

�Sóng biển thực tế rất phức tạp, có dạng sóng không gian ba chiều nhưng để tính đơn giản, có thể xem sóng biển là sóng hai chiều có dạng gần giống dạng Troxoide hay dạng cosin.

�Phương trình biểu diễn của prophin sóng trong hệ tọa độ (Ozt) có dạng :

z = cosσt2

hs

t

hs

z

O

λ

� Các thông số của sóng biển

�Chiều cao sóng hs

�Chiều dài sóng λ

�Tốc độ truyền sóng C

�Chu kỳ truyền sóng τ

�Tần số truyền sóng σ

�Góc mặt sóng α

α = dz/dt = αosin σt

9.3.2.Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên sóng biển

Mặt sóng

Tiếp tuyến với mặt sóng

θ- α

α

θ- α

O y

z

θ

Mặt nước tĩnh

θ

�Tàu nổi trên mặt nước tĩnh Lực nổi nghiêng góc θ Xuất hiện Mhp = Phoθ

�Tàu nổi trên mặt sóng Lực nổi nghiêng góc θ - α Xuất hiện Mhp = Pho(θ-α)

Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên sóng biển có dạng

(Ix + ∆Ix) + 2N + Pho(θ - α) = 0θ&& θ&

(Ix + ∆Ix) + 2N + Phoθ = Phoαθ&& θ&

(Ix + ∆Ix) + 2N + Phoθ = Phoαosinσtθ&& θ&

+ 2ν + n2θθ = nθ

2αosinσtθ&& θ&

+ 2ν + n2θθ = nθ

2αosinσtθ&& θ&

Đây là phương trình vi phân bậc hai không thuần nhất nên nghiệm của nó gồm hai nghiệm

θ = θtd + θcb = θmax td e-νt cos(ωt - β) + θmax cb sin(σt - δ)

θtd - nghiệm của phương trình thuần nhất (nghiệm tự do)

θcb - nghiệm riêng của phương trình (nghiệm cưỡng bức)

Sau thời gian dao động chỉ còn lại nghiệm thứ hai với biên độ dao động lớn nhất là

22222

o2

4)n(

n

σν+σ−

α

θ

θθmax cb = = kdαo

kd = - hệ số động22222

2

4)n(

n

σν+σ−θ

θ

kd =2222

4)1(

1

σµ+σ−

=

=

σθ

σ

n= - tần số truyền sóng tương đối

µθ

ν

n= - hệ số cản

1,31,00,70

kd

4,0

3,0

2,0

1,0

σ

σ

σ� = 0 kd = 1,0

σ� = 1 kd = kd max =1/2 µ

∞σ� kd → 0→

: Xảy ra hiện tượng cộng hưởng (0,7 ≤ ≤ 1,3)σ

µ =0,05

µ =0,2

µ =0,1

6.1.CÁC THÀNH PHẦN SỨC CẢN

� Sức cản tổng hợp tác dụng lên tàu khi chuyển động gồm các thành phần :

R = Rn + Rkk + Rph

trong đó :

Rn - sức cản của môi trường nước

Rkk - sức cản của môi trường không khí

Rph - thành phần sức cản phụ do các thiết bị như chân vịt, bánh lái v..v… gây ra.

� Sức cản của môi trường nước có vai trò, ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ cũng như các tính năng khác của tàu khi chuyển động.

�Khảo sát phân tố diện tích dS trên bề mặt vỏ tàu dưới nước (còn gọi là diện tích mặt ướt S) sẽ nhận thấy phân tố chịu tác dụng của hai lực : và lực pháp tuyến pdS

� Lực tiếp tuyến τdS Lực ma sát

� Lực pháp tuyến pdS Lực áp suất Sức cản hình dạngSức cản sinh sóng

Rn = Rms + Rhd + Rss

6.2.SỨC CẢN MA SÁT

6.2.1.Bản chất của sức cản ma sát

� Sức cản ma sát xuất hiện do độ nhớt chất lỏng gây ra ma sát giữa lớp chất lỏng với bề mặt vỏ tàu và giữa các lớp chất lỏng với nhau.

� Theo lý thuyết cơ chất lỏng, khu vực xung quanh bề mặt vật thể khi chuyển động được chia thành ba vùng chính

Vùng lớp biên

Vùng ngoài lớp biên

Vùng sau lớp biên

6.2.2.Thử nghiệm kéo tấm phẳng xác định sức cản ma sát

� Để tìm hiểu bản chất hiện tượng và tìm công thức tính sức cản ma sát, từ năm 1870, Froude đã thực nghiệm kéo các tấm phẳng dài 0,3 – 15 m, rộng 0,5 m và dày 5 mm nằm sâu trong bể thử và nhận được kết quả sau :

�Khi kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng lý tưởng (tức chất lỏng không có độ nhớt), các phần tử chất lỏng lướt qua mà không dính lại bề mặt tấm phẳng nên các lớp nước quanh bề mặt tấm phẳng có tốc độ không đổi, bằng tốc độ kéo tấm phẳng Vo (hình 7.2)

�Khi kéo tấm phẳng trong chất lỏng thực (có độ nhớt) nhận thấy, do ảnh hưởng của độ nhớt nên các phần tử trong lớp chất lỏng chảy sát tấm phẳng bị dính vào tấm phẳng, làm cho tốc độ lớp chất lỏng sát bề mặt tấm phẳng bằng 0, còn tốc độ các lớp chất lỏng kế tiếp, nằm theo phương vuông góc tấm phẳng tăng dần đến bằng giá trị tốc độ Vo

� Công thức tổng quát tính sức cản ma sát của tấm phẳng

� Công thức tính hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng phụ thuộc giá trị số Reynolde

� Dòng chất lỏng trong lớp biên có thể ở chế độ chảy tầng hay chảy rối, phụ thuộc :

� Kích thước tấm phẳng

� Tốc độ tấm phẳng

� Độ nhớt chất lỏng

Số Reynold

6.2.3.Sức cản ma sát của vỏ tàu

6.3.SỨC CẢN ÁP SUẤT

6.3.1.Hiện tượng lưu tuyến

� Là hiện tượng phân bố lại áp lực và tốc độ dòng chất lỏng chảy quanh bề mặt vỏ tàu.

�Ở khu vực mũi và đuôi, do tiết diện ngang các dòng chảy tăng nên tốc độ dòng chảy giảm và áp lực dòng chảy tăng (định luật Becnuly).

� Tại phần giữa tàu, do các dòng chất lỏng bị ép lên nhau làm giảm tiết diện ngang nên tốc độ dòng chảy lại tăng và áp lực trong dòng chảy giảm xuống

Kết quả của sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng chất lỏng quanh bề mặt vỏ tàu là nguyên nhân gây ra sức cản áp suất gồm sức cản hình dạng và sức cản sinh sóng.

7.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN

7.4.1.Phương pháp giải tích

� Xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ chất lỏng để thiết lập công thức tính sức cản

� Chỉ mới thiết lập được công thức tính sức cản ma sát, chưa tính được các thành phần sức cản khác nên chưa được áp dụng rộng rãi.

7.4.2.Phương pháp thử kéo tàu thật

� Xác định sức cản bằng thử nghiệm kéo tàu thật trong thực tế.

� Tốn kém nên thường dùng để kiểm tra và đánh giá độ chính xác phương pháp khác.

7.4.3.Phương pháp thử mô hình

�Xác định sức cản bằng cách :

�Cho kết quả chính xác và hiện đang được dùng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới, nhưng do việc xây dựng bể thử rất tốn kém nên hiện chỉ mới có ở một số nước tiên tiến.

�Chế tạo mô hình thu nhỏ của tàu thật

�Thử nghiệm kéo trong bể thử để xác định sức cản của mô hình

�Chuyển kết quả của mô hình sang tàu thật theo tỷ lệ đồng dạng

7.4.4.Phương pháp tính theo các công thức gần đúng

� Xây dựng trên cơ sở tổng kết số liệu thực nghiệm dưới dạng công thức gần đúng (hoặc các đồ thị thực nghiệm) khi thử hệ thống seri mô hình tàu trong bể thử.

� Dễ sử dụng và đạt độ chính xác cần thiết nếu chọn được công thức phù hợp tàu thiết kế Dùng khi thiết kế sơ bộ, không có điều kiện thử mô hình và không cần độ chính xác cao

� Hiện nay có khá nhiều công thức tính với độ chính xác và phạm vi áp dụng khác nhau.

Có thể chia các công thức gần đúng thành 3 nhóm :

1.Nhóm 1 : Tính sức cản toàn phần thông qua tính công suất kéo có ích EPS

2.Nhóm 2 : Chia sức cản tàu thành sức cản ma sát để tính theo công thức giải tích và sức cản áp suất (hay sức cản dư) để tính theo công thức (hay đồ thị) gần đúng

3.Nhóm 3 : Tính theo tàu mẫu

7.5. ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN VÀ MỐI QUAN HỆ NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC BỘ PHẬN

7.5.1. Đường cong sức cản R = f(V)

Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa sức cản vỏ R và tốc độ tàu V

V (hl/h)

R (KG)

R = f(V)

V O

R

R (KG)

R = f(V)

V O

Ne = f(V)N (ml)

N

V (hl/h)

7.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

�Thiết bị đẩy là bộ phận chuyển đổi năng lượng động cơ thành lực đẩy tàu chuyển động

� Có nhiều loại thiết bị đẩy nhưng phổ biến nhất là chân vịt vì có khá nhiều ưu điểm như dễ chế tạo, dễ sử dụng và sửa chữa, hiệu suất cao.

� Phân loại theo kết cấu : chân vịt cánh liền, cánh rời ; chân vịt cánh hẹp, cánh rộng

� Theo nguyên lý làm việc : chân vịt cánh cố định và chân vịt biến bước, ống đạo lưu …

� Có nhiều loại chân vịt khác nhau

7.2.1.Đường xoắn ốc và mặt xoắn ốc

� Đường xoắn ốc là quỹ tích của điểm A di chuyển dọc theo bề mặt hình trụ bán kính r, thực hiện cùng lúc 2 chuyển động, chuyển động tịnh tiến dọc trục hình trụ với tốc độ V và chuyển động quay quanh trục hình trụ với tốc độ góc ω (hình 8.2).

7.2.ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CÁNH CHÂN VỊT TÀU THỦY

Cánh chân vịt được hình thành từ mặt xoắn ốc có bước xoắn không đổi hoặc thay đổi, do đó để tìm hiểu đặc điểm hình học cánh chân vịt, cần tìm hiểu đặc điểm mặt xoắn ốc.

�Duỗi thẳng đường xoắn ốc trên mặt phẳng thành tam giác bước xoắn

� Bước xoắn H là quãng đường điểm A chuyển động được sau khi quay đúng một vòng.

�Hai thông số đặc trưng cho đường xoắn ốc

� Mặt xoắn ốc là mặt hình thành khi đoạn thẳng ab thực hiện cùng lúc hai chuyển động, chuyển động dọc theo trục hình trụ bán kính r với vận tốc chuyển động tịnh tiến là và chuyển động xoay quanh trục hình trụ đó với vận tốc góc ω không đổi (hình 2.1).

b

a

a'

b'

H

r

�Mặt cánh chân vịt là do hai mặt xoắn ốc có chung đường giao nhau tạo nên (hình 2.4). Cánh chân vịt có hai cạnh (mép), cạnh đi trước theo chiều quay chân vịt khi tàu chạy tới là cạnh dẫn, cạnh còn lại là cạnh theo. Mặt cánh nằm về phía đi tới của tàu gọi là mặt hút, mặt còn lại là mặt đẩy (hay mặt đạp).

7.2.2.Các đặc điểm hình học chủ yếu

1.Tỷ số bước xoắn chân vịt H/D

2.Tỷ số mặt đĩa θ (θ = 0,35 - 1,1)

Tỷ số giữa diện tích bề mặt nắn thẳng của tất cả cánh chân vịt A và diện tích vòng tròn ngoại tiếp chân vịt

3.Prophin cánh chân vịt

�Dạng cánh cung : hiệu suất thấp nhưng ít sinh bọt khí

�Dạng cánh máy : hiệu suất cao nhưng dễ sinh bọt khí

Đường chiều dày lớn nhất

Cánh cung (0,7R)

Cánh máy

7.3.ĐẶC ĐIỂM THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC CÁNH CHÂN VỊT TÀU THỦY

7.3.1.Nguyên tắc làm việc của chân vịt với chức năng là thiết bị đẩy tàu

� Cánh chân vịt làm việc theo nguyên lý cánh chịu tải, thực hiện cùng lúc 2 chuyển động chuyển động theo tàu với tốc độ tịnh tiến Vp và chuyển động quay với tốc độ quay n.

� Do đó khi xét phân tố cánh ở bán kính r và xem chân vịt đứng yên, theo nguyên tắc chuyển động tương đối sẽ thấy các dòng chất lỏng chạy đến phân tố cánh như sau.

� Dòng chất lỏng chạy với vận tốc VP do chân vịt chuyển động tịnh tiến cùng với tàu

� Dòng chất lỏng chạy ngược chiều quay chân vịt do chuyển động quay của chân vịt với vận tốc vòng là ω = 2π r n (n - tốc độ quay của chân vịt trong 1 giây)

Vp

ω = 2π r n

� Các dòng chất lỏng phụ

∆V

∆ωW

� Dòng chất lỏng tốc độ ∆V bị đẩy lùi ra sau khi chân vịt hoạt động

� Dòng chất lỏng tốc độ ∆ω bị cuốn theo chuyển động quay của chân vịt

Vận tốc tổng hợp W của dòng chất lỏng nghiêng phân tố cánh góc α (góc tiến)

Vp

ω = 2π r n

∆V

∆ωW

�Do phân tố cánh chân vịt đặt nghiêng với phương dòng chất lỏng chạy đến góc α nên trên phân tố xuất hiện lực nâng dY vuông góc vận tốc W và lực cản dX song song vận tốc W.

dY

dX

� Chiếu các lực này lên hai phương vuông góc

dPY

dQY

dPx

dQx

Lực đẩy dP = dPY - dPx

Lực cản dQ = dQY - dQx

Xét trên toàn bộ chân vịt sẽ nhận được lực đẩy P và mômen cản M như sau

�Trong nghiên cứu thực nghiệm mô hình chân vịt ở bể thử thường tính lực đẩy P và mômen cản M theo hệ số lực đẩy K1 và hệ số mômen K2 như sau

2π ri

ϕ

H

7.3.2.Hiện tượng trượt của chân vịt

� Do cánh chân vịt là một mặt xoắn ốc nên nếu chân vịt làm việc trong môi trường rắn sau khi quay 1 vòng, chân vịt tịnh tiến khoảng cách bằng bước xoắn H của mặt xoắn ốc.

Vp = nH

S

hp

� Do chân vịt làm việc ở môi trường chất lỏng có tính đàn hồi nên khi quay một vòng, chân vịt tịnh tiến khoảng bước thực hP < H và bị trượt khoảng S = H - hp gọi là bước trượt

Vp = nhp

�Hiện tượng này gọi là hiện tượng trượt được đặc trưng qua hệ số tiến λp

λp là đại lượng có ý nghĩa quan trọng thể hiện mối tương quan giữa 2 chế độ chuyển động chính của chân vịt là chuyển động tịnh tiến với tốc độ Vp và chuyển động quay với tốc độ nD

7.3.3.Hiệu suất của chân vịt

7.3.3.Đường đặc tính hoạt động chân vịt

Đường đặc tính hoạt động chân vịt là đồ thị K1, K2, ηp = f(λp) thể hiện mối quan hệ giữa hệ số lực đẩy K1, hệ số mômen K2, hiệu suất ηp và hệ số tiến λp

7.3.4.Các chế độ làm việc của chân vịt

�Tại O (Vp = 0, Pmax , Mmax ) :

� O < λp <=λp1 (P > 0, M > 0 ) :

K1, K2, ηP

Oλp = Vp/nD

K1

10K2ηP

λp1

λp2

� λp1 < λp <=λp2 (P< 0, M > 0 ) :

� λp > λp2 (P< 0, M > 0 ) :

chân vịt làm việc ở chế độ buộc tàu

chân vịt làm việc với chức năng thiết bị đẩy

chân vịt làm việc ở chế độ ăn bám

chân vịt làm việc như tuabin

8.5.PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT

� Quá trình làm việc thực tế của chân vịt được nghiên cứu bằng phương pháp thử mô hình chân vịt trong ống khí động hoặc bể thử.

� Để chuyển kết quả từ thử mô hình sang tàu thật cần đảm bảo các điều kiện đồng dạng

8.5.1. Đồng dạng hình học

Tỉ số các kích thước tương ứng của mô hình và của chân vịt thật bằng nhau theo tỷ lệ

đồng dạng hình học.

Các đặc điểm hình học chủ yếu như H/D, θ, chiều dày tương đối v..v... của chân vịt và mô hình bằng nhau.

8.5.2. Đồng dạng động học

Tỉ số các thành phần vận tốc tương ứng của mô hình và của chân vịt thật bằng nhau theo

tỷ lệ đồng dạng động học.

8.5.2. Đồng dạng động lực học

Tỉ số các thành phần lực tương ứng của mô hình và chân vịt thật bằng nhau theo tỷ lệ

đồng dạng động lực học.

8.6.CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHÂN VỊT

8.6.1.Các phương pháp thiết kế chân vịt

1.Thiết kế chân vịt theo công thức gần đúng

�Thiết kế chân vịt theo các công thức kinh nghiệm hay công thức gần đúng xây dựng trên cơ sở hệ thống hóa số liệu nhận từ thử hàng loạt mô hình. �Đơn giản nhưng chưa được sử dụng rộng rãi vì ít chính xác, dùng khi không thể dùng phương pháp khác hoặc đối với chân vịt đặc biệt như chân vịt cánh rộng.

2.Thiết kế chân vịt theo lý thuyết xoáy

�Dựa vào lý thuyết xoáy tính các hệ số lực nâng và lực cản

�Chọn được dạng prophin cánh phù hợp nên hiệu suất cao và tránh được bọt khí

�Tính toán phức tạp và qua nhiều bước trung gian nên ít được sử dụng trong thực tế

3. 3.Thiết kế chân vịt theo phương pháp đồ thị

�Lựa chọn chân vịt theo các mẫu có sẵn, đã được thử nghiệm mô hình hàng loạt và tổng hợp thành các đồ thị để sử dụng khi thiết kế.

�Tính toán đơn giản, cho kết quả nhanh và chính xác nên được sử dụng rộng rãi ở nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới�Phổ biến nhất là đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen (Nga) và Taylor (Mỹ)

8.6.2.Thiết kế chân vịt theo đồ thị Papmen

1.Khái niệm về chân vịt tối ưu theo quan điểm của Papmen

� Đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen được xây dựng trên cơ sở đường đặc tính hoạt động của các chân vịt Wageningen nhưng dùng thuận lợi hơn nhờ ý tưởng của Papmen.

�Thiết kế chân vịt theo đồ thị Papmen cho phép chọn được chân vịt tối ưu chỉ sau 1 lần tính

Chân vịt tối ưu

- Phù hợp với vỏ tàu

- Phù hợp với động cơ

- Hiệu suất là cao nhất

Có đường kính D lắp được vào vỏ tàu

Có tốc độ quay bằng tốc độ quay động cơ

2.Trình tự xây dựng đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen

�Tiến hành thử mô hình trong bể thử để xác định đường đặc tính hoạt động của hàng loạt chân vịt cùng mẫu và có số cánh z, tỷ số bước xoắn H/D và tỷ số mặt đĩa θ khác nhau.

K1, K2, ηP

O λp = Vp/nD

K1

10K2 ηP

K1, K2, ηP

O λp = Vp/nD

K1

10K2 ηP

z, (H/D)1 , θ1 z, (H/D)n , θn

. . . .

� Tính chuyển tất cả đường đặc tính hoạt động chân vịt nhận được ở trên lên đồ thị K1 - λp

bằng cách xác định mối quan hệ giữa các hệ số K1 và λp ở cùng giá trị tỷ số bước xoắn H/D (dựng được các đường H/D = const) và ở cùng giá trị ηp (dựng được các đường ηp = const)

Như vậy là mỗi điểm trên đồ thị K1 - λp sẽ biểu thị cho một chân vịt với đầy đủ các đặc điểm cần thiết khi thiết kế như z, H/D, θ, K1, ηp

K1

λp

H/D = con st

H/D = 0,6

H/D = 0,8

ηp = con st

0,4 0,5 0,6

O

� Thiết kế chân vịt theo đồ thị này chưa đảm bảo chân vịt có đường kính D phù hợp với vỏ (hoặc có tốc độ quay n phù hợp với máy)

K1

λp

H/D = con st

H/D = 0,6

H/D = 0,8

ηp = con st

0,4 0,5 0,6

O

� Để chủ động lựa chọn được chân vịt phù hợp với vỏ (hoặc với máy), đưa thêm vào hệ số K'd (chỉ chứa thông số D) hoặc K'n (chỉ chứa n) xác định theo các công thức sau

K1 = (1/K'd)2 λ2

p và K1 = (1/K'n)4 λ4

p

� Để thuận tiện trong sử dụng vẽ luôn các đường K'd = const (đường bậc 2) và các đường K'n= const (đường bậc 4) lên trên đồ thị K1 - λp khi có thể trước các giá trị K'd và K'n cụ thể

K'd = const K'n = const

�Cho trước D Tính K'd Chọn chân vịt theo đường K'd để đảm bảo D

�Cho trước n Tính K'n Chọn chân vịt theo đường K'n để đảm bảo n

� Như vậy có hai trường hợp thiết kế chân vịt

�Chân vịt xác định theo đường K'd (hoặc K'n) sẽ là chân vịt đã được cho trước đường kính D (hoặc cho trước tốc độ quay n) nhưng chưa đảm bảo chọn được chân vịt có hiệu suất cao nhất

�Do họ đường cong K'd = const (hoặc K'n) và họ đường cong ηp = const quay lưng lại nhau nên chân vịt có hiệu suất cao nhất là chân vịt ứng với điểm tiếp xúc giữa hai họ đường cong.

�Nối các điểm tiếp xúc của họ đường K'd = const (hoặc K'n) và họ đường ηp= const nhận được đường K'n opt (chứa các chân vịt vừa khống chế D lại vừa có hiệu suất cao nhất) và đường K'n opt(chứa các chân vịt vừa được khống chế n lại vừa có hiệu suất cao nhất)

�Đường K'n opt (hoặc K'n opt) còn gọi là đường nopt (hoặc Dopt) vì cho phép chọn chân vịt có tốc độ quay n tối ưu (hoặc D tối ưu), đảm bảo được D (hoặc n) lại vừa có hiệu suất cao nhất.

0,6

0,60,7

0,8

K'd opt

K'n opt

0,70,8

K1

λp

H/D = con stH/D = 1,0

ηp = con st

0,4 0,5 0,6

O

K'd = const K'n = const

H/D = 0,8

�Sau khi vẽ đường K'dopt và K'nopt thì xoá đường K'd = const và K'n = const

�Cho trước D Tính K'd Chọn theo đường K'dopt

�Cho trước n

λp

K1

H/D = con stH/D = 1,0

ηp = con st

0,4 0,5 0,6

O

0,60,7

0,8

K'd opt

K'n opt

0,60,7

0,8

H/D = 0,8

�Các bài toán thiết kế chân vịt :

�Cho cả D, n Tính K1 và λp

(H/D), θ, nopt, ηpmax

Tính K'n Chọn theo đường K'nopt (H/D), θ, Dopt, ηpmax

(H/D), θ, η

8.6.TƯƠNG TÁC GIỮA VỎ TÀU VÀ CHÂN VỊT

� Các đặc điểm thủy động lực học nói trên là xét đối với chân vịt làm việc tự do trong nước

� Khi làm việc sau đuôi tàu, thân tàu sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của chân vịt, thể hiện qua hiện tượng dòng theo và hiện tượng hút

8.6.1.Hiện tượng dòng theo

� Khi tàu chuyển động, phía sau đuôi tàu xuất hiện dòng chất lỏng, được gọi là dòng theo chạy theo hướng chuyển động của tàu với tốc độ Vth nhằm lấp chỗ trống do thân tàu để lại

� Sự xuất hiện dòng theo làm cho tốc độ tương đối của chân vịt Vp so với tốc độ tàu Vt giảm

Vp = Vt - Vth

� Hiện tượng dòng theo được đặc trưng bằng hệ số dòng theo ω tính theo công thức

� Có thể tính gần đúng hệ số dòng theo ωtheo công thức Papmen

8.6.2.Hiện tượng hút

� Do sự xuất hiện dòng theo nên tốc độ của dòng chất lỏng ở khu vực sau đuôi tàu tăng lên, do đó áp lực ở đuôi tàu giảm làm xuất hiện lực cản phụ ∆P, hướng ngược chiều tàu chạy. Hiện tượng này gọi là hiện tượng hút và lực cản phụ ∆P trong trường hợp này gọi là lực hút.

� Do sự xuất hiện lực hút nên lực đẩy chân vịt P lúc này không chỉ khắc phục sức cản vỏ tàu R mà còn khắc phục lực hút ∆P, tức là : P = R + ∆P

� Hiện tượng hút thường được đặc trưng qua hệ số hút t

�Có thể xác định giá trị hệ số hút t theo công thức gần đúng :

8.6.3.Hiệu suất làm việc của chân vịt phía sau đuôi tàu

8.7.HIỆN TƯỢNG BỌT KHÍ VÀ XÂM THỰC MẶT CÁNH CHÂN VịT

8.7.1.Khái niệm về hiện tượng bọt khí

� Hiện tượng bọt khí là hiện tượng nước sôi và bốc hơi trong lòng của chất lỏng (sôi lạnh) tại áp suất thấp hơn áp suất bão hòa của nước, hình thành khoang chứa hỗn hợp khí và hơi.

� Khi chân vịt làm việc, nhất là ở tốc độ cao áp lực trên mặt cánh giảm xuống bằng áp lực bão hoà của nước nên xuất hiện hiện tượng bọt khí

8.7.2.Điều kiện xuất hiện hiện tượng bọt khí

� Xét một phân tố cánh chân vịt đặt ở độ sâu h, nghiêng với đường nằm ngang góc tiến α, phân tố cánh đứng yên và dòng chất lỏng đang chạy đến với tốc độ Vo (hình 8.3).

V

o

B A

h

α

�Viết phương trình Becnuly cho 2 điểm A, B ở cùng độ sâu h, với điểm A nằm xa phân tố cánh, điểm B nằm trên cánh

Chân vịt làm việc ở tốc độ quay lớn VB lớn

pB giảm bằng áp suất bão hoà pbh của nước

Xuất hiện hiện tượng bọt khí

�Suy ra điều kiện xuất hiện hiện tượng bọt khí

8.7.3.Các giai đoạn bọt khí

Bọt khí là hiện tượng có hại và thường xảy ra qua hai giai đoạn :

1.Giai đoạn 1

�Giai đoạn này bắt đầu khi áp lực tại một điểm trên cánh chân vịt (thường là mút cánh) bằng áp lực bão hoà của nước, bắt đầu hình thành những trung tâm bọt khí đầu tiên.

�Các bọt khí vừa hình thành sẽ bị dòng chất lỏng chạy tới cuốn vào vùng có áp lực cao bị nén rồi vỡ ra, tạo thành các khoang trống, sau đó lại được hình thành, bị nén và vỡ ra, gây lực va đập rất lớn làm mặt cánh bị rỗ và xâm thực) và ảnh hưởng đến độ bền cánh.

2.Giai đoạn 2

�Giai đoạn hai bắt đầu khi áp lực ở nhiều điểm trên cánh chân vịt giảm bằng áp suất bão hoà của nước, vùng bọt khí lan rộng và chiếm khoảng 60% diện tích mặt hút cánh.

�Do các bọt khí hình thành không bị cuốn đi và vỡ ra nên ít ảnh hưởng đến độ bền cánh nhưng do chân vịt làm việc trong vùng hơi nên hiệu suất chân vịt bị giảm xuống.

� ξ = χ : Bắt đầu xảy ra hiện tượng bọt khí

� ξ < χ≤ 2ξ : Bọt khí giai đoạn 1

� 2ξ < χ≤ 3ξ : Bọt khí giai đoạn 2

8.7.3.Các biện pháp làm giảm hiện tượng bọt khí

�Tăng tỷ số mặt đĩa θ để giảm áp lực riêng trên cánh P/A

�Tăng độ chìm chân vịt h để làm tăng áp lực pA = po + γ h và áp lực trên cánh pB

�Lựa chọn hợp lý hình dạng prophin cánh chân vịt

�Giảm độ dốc dòng chảy ở vị trí đặt chân vịt bằng cách làm đều biên dạng dọc đuôi tàu

�Khoan lỗ trên cánh chân vịt để giảm áp lực trên mặt hút cánh nhờ chất lỏng từ khu vực áp lực cao chảy đến

�Tính toán để chân vịt làm việc ở cuối giai đoạn 1, đầu giai đoạn 2 của hiện tượng bọt khí

8.8.SỰ PHÙ HỢP LÀM VIỆC GIỮA CHÂN VỊT VÀ ĐỘNG CƠ

�Sự làm việc phù hợp giữa chân vịt và động cơ có vai trò rất quan trọng, tránh động cơ bị quá tải hay thiếu tải và đảm bảo tàu đạt được tốc độ lớn nhất ở chi phí nhiên liệu thấp nhất

�Về mặt lý thuyết, sự phối hợp làm việc giữa chân vịt và động cơ được thể hiện thông qua sự phối hợp đường đặc tính động cơ và đường đặc tính chân vịt

8.8.1. Đường đặc tính động cơ N = f(n)

�Đường đặc tính động cơ thể hiện mối quan hệ giữa công suất động cơ phát ra N và tốc độ quay n của nó

� Đối với động cơ đốt trong thường sử dụng đường đặc tính ngoài, thể hiện mối quan hệ giữa công suất trên trục động cơ và tốc độ quay khi đặt bơm nhiên liệu ở vị trí có lợi nhất, đảm bảo đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu

8.8.1. Đường đặc tính chân vịt Np = f(n)

�Đường đặc tính chân vịt thể hiện mối quan hệ giữa công suất yêu cầu của chân vịt Np và tốc độ quay n của nó

Np = 2π Mn = 2π(K2ρn2D5) n = (2πK2ρD5)n3 = Cn3

�Đường đặc tính chân vịt là đường cong bậc 3

B

λptk

∆NA

NT

NA

NC

C

T

nA nCO n

Ne

Ndm

ndm

A

λp1 < < λp2

∆NT

� Chân vịt làm việc ở chế độ thiết kế

Chân vịt làm việc theo đặc tính OB cắt đặc tính động cơ tại B

Điểm làm việc B ứng với công suất định mức Ndm và số vòng quay định mức ndm

� Chân vịt nặng tải do ngược sóng, gió ..

Chân vịt làm việc theo đặc tính OA cắt đặc tính động cơ tại A

Điểm làm việc A ứng với NA< Ndm và nA < ndm

� Chân vịt nhẹ tải do sóng, gió đẩy ..

Chân vịt làm việc theo đặc tính OC cắt đặc tính động cơ tại C

Điểm làm việc C ứng với NC > Ndm và nc > ndm

Bộ điều tốc hoạt động và điều chỉnh động cơ làm việc theo đường đặc tính

điều tốc BT

Điểm làm việc T ứng với NT< Ndm và nT ≈ 1,1 ndm

nT